EP3947978A1 - Förderaggregat für ein brennstoffzellen-system zur förderung und/oder steuerung eines gasförmigen mediums - Google Patents

Förderaggregat für ein brennstoffzellen-system zur förderung und/oder steuerung eines gasförmigen mediums

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EP3947978A1
EP3947978A1 EP20712243.3A EP20712243A EP3947978A1 EP 3947978 A1 EP3947978 A1 EP 3947978A1 EP 20712243 A EP20712243 A EP 20712243A EP 3947978 A1 EP3947978 A1 EP 3947978A1
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EP
European Patent Office
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diffuser
longitudinal axis
fuel cell
flow
jet pump
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20712243.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Armin RICHTER
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3947978A1 publication Critical patent/EP3947978A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/14—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being elastic fluid
    • F04F5/16—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being elastic fluid displacing elastic fluids
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
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    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a delivery unit for a fuel cell system for delivering and / or controlling a gaseous medium, in particular special hydrogen, which is intended in particular for use in vehicles with egg nem fuel cell drive.
  • gaseous fuels will also play an increasing role in the future.
  • Hydrogen gas flows must be controlled, particularly in vehicles with fuel cell drives.
  • the gas flows are no longer controlled discontinuously, as is the case with the injection of liquid fuel, but the gas is taken from at least one tank, in particular a high-pressure tank, and fed to the delivery unit via an inflow line of a medium-pressure line system.
  • This delivery unit carries the gas to a fuel cell via a connecting line of a low-pressure line system.
  • a delivery unit for a fuel cell system for delivering a gaseous medium, in particular what hydrogen, with a jet pump driven by a propulsion jet of a pressurized gaseous medium and a metering valve.
  • the delivery unit can be designed as a combined valve-jet pump arrangement and has the components first inlet, suction area, mixing tube and a diffuser and wherein the diffuser is fluidically connected to an anode inlet of a fuel cell via an outlet manifold.
  • a connecting piece can be located between the outlet manifold and the anode inlet.
  • a medium in particular a propellant medium
  • a propellant medium can be drained through a nozzle by means of the conveying unit, which medium is then mixed with a recirculation medium.
  • the flow of the propellant can be controlled by means of the metering valve. So that the gaseous medium after flowing through the valve jet pump arrangement in can flow into the anode inlet of the fuel cell, a diversion must take place due to the arrangement of the valve jet pump arrangement on the fuel cell.
  • This deflection takes place from DE 10 2014 221 506 Al known conveying unit at least almost exclusively in the area of the outlet bend, the deflection being at least almost at right angles and / or at least almost 90 ° so that the gaseous medium from the conveying unit into the Fuel cell can flow.
  • the conveyor unit known from DE 10 2014 221 506 A1 can have certain disadvantages.
  • a first flow direction of the mixing tube and / or a second flow direction of the diffuser runs at least almost at right angles to a second flow path of the anode inlet of the fuel cell, the second flow path in particular forming the inflow direction of the gaseous medium into the fuel cell.
  • a delivery unit for a fuel cell system is proposed for the delivery and / or recirculation of a gaseous medium, in particular hydrogen, the hydrogen being referred to below as H2.
  • a second longitudinal axis of a diffuser runs inclined or curved to the first longitudinal axis of a mixing tube.
  • Flow losses and / or Reibungsver losses and / or pressure losses between the gaseous medium and the walls of the delivery unit can be reduced because the deflection is more favorable in terms of flow and friction between the gaseous medium and the wall of the delivery unit is reduced.
  • disadvantageous turbulence and / or flow breaks since a deflection occurs more evenly and in conjunction with an increasing diameter in the area of the diffuser, which causes disadvantageous flow changes, for example due to locally strong flow velocity changes can be avoided.
  • the flow rate of the gaseous medium in the diffuser is reduced, while the medium is deflected at the same time, whereby an improved flow behavior into the fuel cell can be brought about.
  • the advantage can be achieved that losses of pulse energy, kinetic energy and pressure are almost avoided or at least reduced.
  • the improved deflection due to the improved deflection, the smallest possible Friction between the medium to be conveyed, in particular F, and the upper surface of the flow geometry of the conveying unit, in particular the end region of the diffuser and the outlet manifold, can be achieved.
  • pressure losses and / or friction losses can be reduced, which can occur as a result of the flow deflections and / or change in the directions of movement of the gaseous medium due to the deflection in the outlet manifold.
  • the efficiency of the delivery unit and / or a valve jet pump arrangement and / or the entire fuel cell system can be improved.
  • inventive design of the delivery unit has the advantage that, for a given overall length, for example through the space available in the overall vehicle, a larger deflection radius can be achieved, whereby the flow energy losses in the delivery unit are reduced by friction of the gaseous Me dium with the surface of the flow geometry, can be further reduced. This offers the advantage of a high efficiency of the delivery unit with a simultaneous compact design of the delivery unit.
  • a first wall of the diffuser runs at least partially parallel to the first longitudinal axis of the mixing tube and a second wall of the diffuser opposite the first wall runs at an angle to the first longitudinal axis of the mixing tube, the first wall being on the anode inlet runs away from the side of the diffuser and the second wall runs on the side of the diffuser facing the anode inlet.
  • the first wall running parallel to the mixing tube enables a simplified and more cost-effective production of a flow area to be achieved.
  • the first wall of the diffuser has a curved profile, the second wall of the diffuser opposite the first wall having an at least almost linear profile and extending at an angle to the first longitudinal axis of the mixing tube. In this way, a continuously increasing deflection of the gaseous medium in a second flow direction can be achieved, with a second flow axis extending in particular in an arc shape.
  • the second longitudinal axis of the diffuser is inclined in the direction of the anode inlet.
  • the advantage can be achieved that the angle of the third flow direction in the outlet manifold can be reduced, since the gaseous medium is already at least partially deflected in the inflow direction of the anode inlet in the area of the diffuser.
  • the flow resistance of the delivery unit which is mounted in particular on an end plate of the fuel cell, is reduced due to the necessary flow deflection of the gaseous medium in the delivery unit, since the gaseous medium is already deflected in the area due to the inclined second longitudinal axis of the diffuser in which it experiences a reduction in flow velocity.
  • the second longitudinal axis of the diffuser is curved in such a way that it runs at least almost parallel to the first longitudinal axis of the mixing tube in the starting area of the diffuser and at least almost perpendicular to the first longitudinal axis of the mixing tube in the end area of the diffuser.
  • a flow-optimized deflection by at least almost a right angle can be achieved, with the two flow directions running at least almost orthogonally to one another. Avoiding edge-like diversions and / or the inventive design of the starting area and the end area of the diffuser can reduce turbulence and flow breaks when the gaseous medium flows into and out of the diffuser, since abrupt changes of direction in this area the flow is prevented.
  • the connecting piece and / or the outlet bend is located between the diffuser and the anode inlet of the fuel cell and connects them to one another at least indirectly in a fluidic manner.
  • a fourth longitudinal axis of the connecting piece can run parallel to the flow path IV of the gaseous medium in the anode inlet, the second longitudinal axis of the diffuser in the end region of the diffuser running at least almost parallel to the fourth longitudinal axis of the connecting piece.
  • an acceleration and / or deceleration of the gaseous medium can be prevented, this acceleration and / or deceleration, for example, when using an external Verroh approximate system between the delivery unit and the fuel cell, in particular the anode inlet, can occur with several deflections .
  • This can prevent energy from being extracted from the gaseous medium, which it loses when flowing through an external piping system with deflections due to internal and external friction.
  • the advantage can be achieved that losses of pulse energy, kinetic energy and pressure are almost avoided or at least reduced.
  • the lowest possible friction between the medium to be conveyed, in particular H 2 , and the surface of the flow geometry of the conveying unit can be achieved.
  • pressure losses and / or friction losses can be reduced, which can occur as a result of the flow deflections and / or changes in the directions of movement of the gaseous medium due to the deflection in the external piping system.
  • the efficiency of the delivery unit and / or the valve jet pump arrangement and / or the entire fuel cell system can be improved.
  • the advantage can be achieved that the flow connection between a jet pump and the anode inlet can be implemented as short as possible and / or at least almost without a flow deflection.
  • the efficiency of the delivery unit and thus of the entire fuel cell system can thus be increased due to the reduced friction losses.
  • an improved cold start capability of the delivery unit can be achieved, since the connection piece cools down more slowly, in particular due to the larger dimensions, and therefore the formation of ice bridges in the flow cross-section is made more difficult, especially with short idle times.
  • the jet pump has a heating element, the jet pump and / or the outlet manifold and / or the connecting piece being made of a material or an alloy with a low specific heat capacity.
  • the heating element Before the feed unit and / or the entire fuel cell system is put into operation at low temperatures, the heating element is supplied with energy, in particular electrical energy, the heating element converting this energy into heat and / or heating energy. This process is supported in an advantageous manner by the low specificberichtka capacity of the other components of the delivery unit, by means of which the Thermal energy can quickly penetrate the entire conveying unit and remove existing ice bridges.
  • the faster warming up of the parts and the conveyor unit means that existing ice bridges can be eliminated more quickly, in particular by melting away from the introduction of heat.
  • the heating energy can advance to a nozzle in a short time after the heating element is switched on and existing ice bridges in the area of the nozzle and the actuators of a metering valve can be heated and thus eliminated.
  • the probability of failure due to damage to the components of the delivery unit can be reduced. In this way, the cold start capability of the pumping unit and thus of the entire fuel cell system can be improved, since the ice bridges can be thawed and removed more quickly.
  • the latter has a jet pump, the metering valve and / or a side channel compressor and / or a water separator as components.
  • the delivery unit and / or its components are positioned on the end plate of the fuel cell in such a way that the flow lines between and / or within the components of the delivery unit run exclusively parallel to the end plate, the end plate being arranged between the fuel cell and the delivery unit .
  • a compact arrangement of the winningag gregats on the fuel cell and / or in the fuel cell system can be brought about, whereby the space requirement and the installation space of the fuel cell system can be reduced in the overall vehicle.
  • a direct and as short as possible flow line between the components of the delivery device and the fuel cell can be established in this way.
  • the number of flow deflections and / or changes in the directions of movement of the gaseous medium in the delivery unit can be reduced to the lowest possible number.
  • the flow lines between and / or within the components of the delivery unit run parallel to the plate-shaped carrier element. A flow deflection of the gaseous medium is thus further reduced, whereby the flow losses can be further reduced.
  • the efficiency of the delivery unit can be improved and the energy consumption for operating the delivery device can be reduced.
  • the advantage can be achieved in this way that the components can be easily positioned with respect to one another, in that the components must each be connected to the end plate. This allows the number of components required for assembly to be reduced, which in turn leads to cost savings for the conveyor device. Furthermore, the probability of an assembly error due to incorrectly aligned components of the conveyor device is reduced, which in turn reduces the probability of failure of the conveyor unit during operation.
  • Figure 1 is a partially schematic sectional view of a fuel cell system with a delivery unit and a fuel cell
  • Figure 2 is a schematic sectional view of the delivery unit according to a first embodiment
  • Figure 3 is a schematic sectional view of the delivery unit according to a second embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of the at least one cross-sectional area A-A running orthogonally to a flow direction according to a first embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic sectional view of the at least one cross-sectional area A-A running orthogonally to the direction of flow according to a second embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a fuel cell system 31 with a delivery unit 1, the delivery unit 1 having a combined valve-jet pump arrangement 8.
  • the combined valve-jet pump arrangement 8 has a metering valve 6 and a jet pump 4, the metering valve 6 being connected to the jet pump 4, for example by means of a screw connection, in particular to a base body 13 of the jet pump 4.
  • the jet pump 4 has a first inlet 28, a second inlet 36 a, a suction area 7, a mixing tube 18, a diffuser 20 and an outlet bend 22 and / or a connecting piece 26 in its base body 13.
  • the metering valve 6 has a second inlet 36b and a nozzle 12. The metering valve 6 is pushed into the jet pump 4, in particular into an opening in the base body 13 of the jet pump 4, in particular in the direction of a first longitudinal axis 39, in particular the mixing tube 18.
  • the fuel cell system 31 shown in FIG. 1 also has the components fuel cell 29, water separator 24 and side channel compressor 10.
  • the fuel cell 29 is at least indirectly fluidly connected to the water separator 24 and / or the side channel compressor 10 and / or the valve jet pump assembly 8 by means of an anode output 9 and / or an anode input 15.
  • the recirculation medium flows in the process.
  • a first flow path III through the anode outlet 9 from the fuel cell 29 and, in particular after flowing through further optional construction parts 10, 24 and / or the valve jet pump assembly 8 via the anode inlet 15 in the direction of a second flow path IV back in the fuel cell 29 a.
  • the first flow path III and the second flow path IV run ver at least approximately parallel.
  • the components Wasserab separator 24 and / or the side channel compressor 10 and / or the valve jet pump arrangement 8 are at least indirectly fluidly connected to one another.
  • the components water separator 24 and side channel compressor 10 are optional construction parts that do not necessarily have to be present in the delivery unit 1 and / or in the fuel cell system 31.
  • the fuel cell 29 furthermore has an end plate 2, the anode outlet 9 and the anode inlet 15 running through the end plate 2.
  • the end plate 2 is located on the side of the fuel cell 29 facing the valve jet pump arrangement 8.
  • the components jet pump 4, metering valve 6 and / or side channel compressor 10 and / or the water separator 24 are positioned on the end plate 2 of the fuel cell 29 in such a way that that the flow lines between and / or within the components of the delivery unit 1 run exclusively parallel to the end plate 2, the end plate 2 being arranged between the fuel cell 29 and the delivery unit 1.
  • the unused gaseous medium flows from the anode outlet 9 of the fuel cell 29, in particular a stack, in a direction of flow III through the end plate 2, via an optional water separator 24 and an optional side channel compressor 10 into the first inlet 28 of the valve jet pump arrangement 8. From there, the gaseous medium flows into the suction area 7 and partially into the mixing tube 18 of the jet pump 4.
  • the water separator 24 has the task of collecting what water is produced during operation of the fuel cell 29 and, together with the gaseous medium, in particular Fh, through the Anode outlet 9 flows back into the valve jet pump arrangement 8, to be discharged from the system.
  • the water which can be in gaseous and / or liquid form, cannot penetrate into the recirculation fan 10 and / or the jet pump 4 and / or the metering valve 6, since it is already separated directly by the water separator 24 from the gaseous medium and from the fuel cells -System 31 conveyor device becomes.
  • damage to the components of the conveyor unit 1 and / or the fuel cell system 31, in particular the movable parts of the components can be prevented by corrosion, which increases the service life of all components through which flow occurs.
  • valve-jet pump arrangement 8 is flowed through by a medium to be conveyed in at least one flow direction V, VI, VII, VIII.
  • the majority of the flow through areas of the valve jet pump arrangement 8 are at least approximately tubular and serve to convey and / or guide the gaseous medium, which is in particular Fh, in the delivery unit 1.
  • the valve jet pump arrangement 8 is used for a recirculate is fed through the first inlet 28, the recirculate being in particular the unused Fh from the anode area of the fuel cell 29, in particular a stack, whereby the recirculate can also contain water and nitrogen.
  • the recirculate flows through the first inlet 28 into the valve jet pump arrangement 8.
  • a gaseous propellant medium flows through the second inlet 36 from outside the valve jet pump arrangement 8 into a recess in the valve jet pump arrangement 8 and / or into the base body 13 and / or the metering valve 6, the propellant medium comes from a tank 34 and is under high pressure, in particular special of more than 6 bar.
  • the second inlet 36a, b runs through the components of the base body 13 and / o the metering valve 6.
  • the propellant medium is fed from the metering valve 6 by means of an actuator and a fully closable valve element, in particular in bursts, through the nozzle 12 into the suction area 7 and / or the mixing tube 18 drained sen.
  • the F flowing through the nozzle 12 and serving as a motive medium has a pressure difference to the recirculation medium, the recirculation medium flowing from the first inlet 28 into the delivery unit 1, the motive medium in particular having a higher pressure of at least 6 bar.
  • the recirculation medium is conveyed with a low pressure and a low mass flow in a central flow area of the conveyor unit 1, for example by using a side channel compressor 10 upstream of the conveyor unit 1.
  • the propellant medium flows with the described pressure difference and a high speed, which in particular close to the Schallgeschwindig speed and can thus be below or above, through the nozzle 12 into the central flow area of the suction area 7 and / or the mixing tube 18.
  • the nozzle 12 has an inner recess in the form of a flow cross-section through which the gaseous medium can flow, in particular coming from the metering valve 6 and flowing into the suction area 7 and / or the mixing tube 18.
  • the motive medium meets the recirculation medium, which is already located in the central flow area of the suction area 7 and / or the mixing tube 18. Due to the high speed and / or pressure difference between the motive medium and the recirculation medium, internal friction and turbulence are generated between the media. This creates a shear stress in the boundary layer between the fast propellant medium and the much slower recirculation medium. This voltage causes a pulse transmission, whereby the recirculation medium is accelerated and carried away. Mixing takes place according to the principle of conservation of momentum.
  • the recirculation medium is accelerated in the flow direction V and a pressure drop occurs for the recirculation medium, as a result of which a suction effect sets in and thus further recirculation medium is fed from the area of the first inlet 28.
  • This effect can be referred to as the jet pump effect.
  • a delivery rate of the recirculation medium can be regulated and adapted to the respective needs of the entire fuel cell system 31 depending on the operating state and operating requirements.
  • a playful operating state of the delivery unit 1 in which the metering valve 6 is in the closed state it can be prevented that the propellant medium flows from the second inlet 36 into the central flow area of the jet pump 4, so that the propellant medium no longer flows in the flow direction VII to the recirculation medium in the suction area 7 and / or the mixing tube 18 can flow in and thus the jet pump effect stops.
  • the jet pump 4 from FIG. 1 has technical features which additionally improve the jet pump effect and the delivery efficiency and / or further improve the cold start process and / or manufacturing and assembly costs.
  • the section diffuser 20 runs conically in the region of its inner flow cross-section, in particular enlarging in the first flow direction V and the second flow direction VI.
  • the nozzle 12 and the mixing tube 18 and / or the diffuser 20 can run coaxially to one another.
  • This shape of the diffuser 20 section can produce the advantageous effect that the kinetic energy is converted into pressure energy, whereby the possible delivery volume of the delivery unit 1 can be further increased, whereby more of the medium to be delivered, in particular F, is fed to the fuel cell 29 can be, whereby the efficiency of the entire ge fuel cell system 31 can be increased.
  • the combined valve jet pump assembly 8 has an optional heating element 11, wherein the valve jet pump assembly 8 and / or the outlet manifold 22 and / or the connecting piece 26 made of a material or an alloy with a low specific Heat capacity are established.
  • the cold start capability can be improved, in particular at temperatures below 0 ° Celsius, since bridges of ice in the flow area of the valve jet pump arrangement 8 can thus be broken down.
  • the heating element 11 can be integrated in the base body 13 of the jet pump 4 or arranged on it.
  • the metering valve 6 can be designed as a proportional valve 6 in order to enable an improved metering function and more precise metering of the propellant medium into the suction area 7 and / or the mixing tube 18.
  • the nozzle 12 and the mixing tube 18 are designed to be rotationally symmetrical, the nozzle 12 running coaxially with the mixing tube 18 of the jet pump 4.
  • 2 shows a schematic sectional view of the delivery unit 1 according to a first exemplary embodiment.
  • Part of the inner flow contour of the delivery unit 1, in particular of the base body 13, is shown, which has the areas of suction area 7, mixing tube 18, diffuser 20, outlet bend 22 and connecting piece 26 in particular in the direction of flow of the gaseous medium.
  • the mixing tube 18, the diffuser 20, the outlet bend 22 and the connecting piece 26 each have a respective longitudinal axis 39, 40, 42, 44.
  • the respective direction of flow V, VI, VII, VIII of the gaseous medium in this area runs along this respective longitudinal axis 39, 40, 42, 44.
  • the gaseous medium coming from the suction area 7 flows at least almost completely through the flow contour of the base body 13 to the anode inlet 15 of the fuel cell 29, the gaseous medium through the mixing tube 18, the diffuser 20, the outlet bend 22 and the connector 26 flows through.
  • the propellant medium coming from the second inlet 36 is supplied by means of the nozzle 12 and meets the recirculation medium supplied through the first inlet 28, which comes from the fuel cell 29 in particular.
  • the mixing tube 18 has a first longitudinal axis 39, the first flow direction V running at least almost parallel to the first longitudinal axis 39.
  • the diffuser 20 has a second longitudinal axis 40, the second flow direction VI running parallel to the second longitudinal axis 40.
  • the outlet manifold 22 has a third longitudinal axis 42, the third flow direction VII running parallel to the third longitudinal axis 42.
  • the connecting piece 26 has a fourth longitudinal axis 44, the fourth flow direction VIII running parallel to the fourth longitudinal axis 44.
  • the longitudinal axes 39, 40, 42, 44 and / or flow directions V, VI, VII, VIII in the respective area have different vectors and do not run parallel and / or in the same direction, so that the gaseous medium is deflected in the respective section 18, 20, 22, 26 learns.
  • the second longitudinal axis 40 of the diffuser 20 is inclined to the first longitudinal axis 39 of the mixing tube 18, in particular inclined by an angle ⁇ , the second longitudinal axis 40 of the diffuser 20 being inclined towards the anode inlet 15.
  • the third longitudinal axis 42 of the outlet bend 22 is inclined to the first longitudinal axis 39 of the mixing tube 18, in particular inclined at an angle g, the third longitudinal axis 42 of the outlet bend 22 being inclined in the direction of the anode inlet 15.
  • the fourth longitudinal axis 44 of the connecting piece 26 is inclined to the first longitudinal axis 39 of the mixing tube 18, in particular inclined at an at least almost right angle, where the fourth flow direction VIII, which runs parallel to the fourth longitudinal axis 44 of the connecting piece 26, is directed towards the anode inlet 15.
  • FIG. 2 shows that a first wall 17 of the diffuser 20 runs at least partially parallel to the first longitudinal axis 39 of the mixing tube 18 and a second wall 19 of the diffuser 20 opposite the first wall 17 at an angle [3 to the first longitudinal axis 39 runs, the first wall 17 running on the side of the diffuser 20 facing away from the anode inlet 15 and the second wall 19 running on the side of the diffuser 20 facing the anode inlet 15.
  • the gaseous medium flows in the area of the nozzle 12 and / or the mixing tube 18 in a first flow direction V and from there into the diffuser 20, the gaseous medium undergoing a change of direction in the transition area of the mixing tube 18 to the diffuser 20, so that the gaseous medium in the diffuser 20 flows at least almost in the second flow direction VI.
  • the angle [3 is greater than the angle a.
  • the flow cross-sections are formed in the inner flow area of the jet pump 4, which in particular run orthogonally to the respective flow direction V, VI, VII, VIII.
  • the flow cross-sections are embodied, for example, as the at least one cross-sectional area AA, the at least one cross-sectional area AA running orthogonally to the second flow direction VI and / or the second longitudinal axis 40 of the diffuser 20.
  • the cross-sectional area AA increases in the second flow direction VI. This can lead to a reduction in the flow rate of the gaseous medium in the diffuser 20, in particular due to the increasing cross-sectional area AA.
  • the second flow direction VI and / or the second longitudinal axis 40 runs at least almost linearly in the area of the diffuser 20 due to the at least almost linear course of the first and second walls 17, 19, so that the gaseous medium also runs at least almost linearly in the area of the diffuser 20 flows.
  • the gaseous medium flows into the outlet elbow 22 and from there into the connecting piece 26.
  • FIG. 2 it is shown that in the area of the outlet elbow 22 there is a third wall
  • This third wall 21 can have an at least partially linear course and / or at least partially a curvature 23, wherein the curvature 23 can in particular have a radius.
  • the gaseous medium can be directed towards the anode inlet 15 as it flows through the outlet bend 22.
  • the third longitudinal axis 42 of the outlet bend 22 and / or the third flow direction VII of the gaseous medium in the area of the outlet bend 22 extends at an angle g to the first longitudinal axis 39 of the mixing tube 18 and towards the anode inlet 15. Since the angle g is in particular greater than the angle ⁇ and / or the angle ⁇ .
  • the gaseous medium experiences a corresponding deflection when flowing through the diffuser 20 and / or the outlet elbow 22 and / or the connecting piece 26, whereby it is at least almost at right angles to the first flow path III and / or second Flow path IV extending first flow direction V is deflected at least almost parallel to the respective flow path III, IV fourth flow direction VIII.
  • FIG. 3 is a schematic sectional view of the delivery unit 1 according to a second embodiment is shown.
  • the mixing tube 18, the diffuser 20 and the connecting piece 26 each have a respective longitudinal axis 39, 40, 44.
  • the respective direction of flow V, VI and VIII of the gaseous medium in this area runs along this respective longitudinal axis 39, 40, 44. Since the second longitudinal axis 40 of the diffuser 20 extends in an arc shape, so that the gaseous medium is deflected towards the anode inlet 15 when it flows through the diffuser 20, in particular continuously.
  • the arcuate course of the second longitudinal axis 40 of the diffuser 20 results from the shaping of the walls 17, 19 of the flow area.
  • a first wall 17 of the diffuser 20 has the curvature 23 and a second wall 19 of the diffuser 20 opposite the first wall 17 has an at least almost linear profile.
  • the second wall 19 runs at an angle ⁇ to the first longitudinal axis 39 of the mixing tube 18.
  • the second wall 19 can also have a curvature.
  • the angle a between the curved second longitudinal axis 40 and the first longitudinal axis 39 increases as the flow progresses through the diffuser 20 from a value of at least almost 0 ° to a value of at least almost 90 ° facing the anode inlet 15.
  • the second longitudinal axis 40 of the diffuser 20 is curved in such a way that it runs at least almost parallel to the first longitudinal axis 39 of the mixing tube 18 in the initial region of the diffuser 20 and at least almost perpendicular to the first longitudinal axis 39 of the mixing tube 18 in the end region of the diffuser 20, wherein in particular the opening of the end region of the diffuser 20 is directed towards the anode inlet 15.
  • FIG. 3 shows that the fourth longitudinal axis 44 of the connection piece 26 runs parallel to the second flow path IV of the gaseous medium in the anode inlet 15, the second longitudinal axis 40 of the diffuser 20 in the end region of the diffuser 20 at least almost parallel to the fourth longitudinal axis 44 of the connecting piece 26 runs.
  • FIG. 3 shows that flow cross-sections are formed in the inner flow area of the jet pump 4, which in particular run orthogonally to the respective flow direction V, VI, VIII.
  • the flow cross-sections are exemplified as the at least one cross-sectional area AA, the at least one cross-sectional area A-A running orthogonally to the second flow direction VI and / or the second, in particular arcuate, longitudinal axis 40 of the diffuser 20.
  • the cross-sectional area AA increases in the second flow direction VI. This can lead to a reduction in the flow rate of the gaseous medium in the diffuser 20, in particular due to the increasing cross-sectional area AA.
  • the second flow direction VI and / or the second longitudinal axis 40 runs, in particular because of the curved The course of the first wall 17 and / or the at least almost linear course of the second wall 19, at least almost arched in the area of the diffuser 20, so that the gaseous medium also flows at least almost arched in the area of the diffuser 20, in particular towards the anode inlet 15 directed.
  • FIG. 4 is a schematic sectional view of the at least one cross-sectional area A-A running orthogonally to the flow direction VI according to a first embodiment.
  • the respective cross-sectional area A-A of the diffuser 20 has an at least almost circular shape.
  • a first reference axis 48 runs through the first wall 17, which runs away from the anode inlet 15, in particular at least in the initial region of the diffuser 20, and the second wall 19 of the flow cross-section.
  • a second reference axis 50 runs orthogonally to this first reference axis 48
  • the second longitudinal axis 40 runs orthogonally to the two axes 48, 50 in a plane (not shown) at the point of the two reference axes 48, 50.
  • FIG. 5 shows a schematic sectional view of the at least one cross-sectional area A-A running orthogonally to the second flow direction VI according to a second embodiment.
  • the respective cross-sectional area A-A has a rounded, in particular an ovoid and / or egg-shaped shape.
  • the first reference axis 48 runs through the first wall 17, which in particular runs away from the anode inlet 15 at least in the initial area of the diffuser 20, and the second wall 19 of the flow cross section.
  • the second reference axis 50 runs so orthogonally to the first reference axis of the ovoid cross-sectional area, that this is located in the area of the greatest distance between the walls of the flow cross-section.
  • the second longitudinal axis 40 runs through the intersection of the two reference axes 48, 50 orthogonally to the two axes 48, 50 in a plane not shown.
  • the cross-sectional areas of the flow regions of the outlet bend 22 and / or of the connecting piece 26 can also have a corresponding at least almost circular and / or ovoid shape.
  • the advantage can be achieved that an improved deflection of the gaseous medium is achieved when flowing through the diffuser 20, in which the Friction and / or flow losses are reduced, while the construction space required for deflecting the gaseous medium to the anode inlet 15 can be reduced.
  • the delivery unit 1 and / or the jet pump 4 can also be installed in vehicles that only have a small amount of space available.
  • the flow transitions within the flow cross-section of the jet pump 4 are designed as flow-optimized as possible, so that the turbulence and / or a braking of the flow speed of the gaseous medium is prevented.
  • the majority of the gaseous medium to be conveyed in the area of the second reference axis 50 can flow in the second flow direction VI through the diffuser 20 and thus experience a stronger deflection towards the anode inlet 15, since the second Reference axis 50 has less distance from the second wall 19 and / or the anode inlet 15, in particular compared to the first embodiment of the at least one cross-sectional area AA, which leads to improved flow behavior and a more compact design.
  • an improved flow guidance of the gaseous through the diffuser 20 and / or the entire delivery unit 1 can be achieved in this way.
  • these shapes of the cross-sectional areas A shown in FIG. 4 or 5 can be in any combination of the areas diffuser 20, outlet bend 22, connecting piece 26 and anode inlet 15 in the delivery unit 1 according to the invention, but also in all other flow areas of the fuel cell system 31.

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Abstract

Förderaggregat (1) für ein Brennstoffzellen-System (31) zur Förderung und/oder Steuerung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einer von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden gasförmigen Mediums angetriebenen Strahlpumpe (4) und einem Dosierventil (6), wobei ein Ausgang des Förderaggregats (1) mit einem Anodeneingang (15) einer Brennstoffzelle (29) fluidisch verbunden ist, wobei die Strahlpumpe (4) einen Ansaugbereich (7), ein Mischrohr (18) und einen Diffusor (20) aufweist, wobei der Diffusor (20) zumindest mittelbar mit dem Anodeneingang (15) der Brennstoffzelle (29) fluidisch verbunden ist und wobei die Strahlpumpe (4) zumindest teilweise in Richtung einer ersten Strömungsrichtung (V), die parallel zu einer ersten Längsachse (39) des Mischrohrs (18) verläuft, vom gasförmigen Medium durchströmt wird. Erfindungsgemäß verläuft dabei eine zweite Längsachse (40) des Diffusors (20) geneigt zur ersten Längsachse (39) des Mischrohrs (18) oder gekrümmt.

Description

Beschreibung
Titel
Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System zur Förderung und/oder
Steuerung eines gasförmigen Mediums
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellen- System zur Förderung und/oder Steuerung eines gasförmigen Mediums, insbe sondere Wasserstoff, das insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit ei nem Brennstoffzellenantrieb vorgesehen ist.
Im Fahrzeugbereich spielen neben flüssigen Kraftstoffen in Zukunft auch gasför mige Kraftstoffe eine zunehmende Rolle. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb müssen Wasserstoffgasströme gesteuert werden. Die Gasströme werden hierbei nicht mehr diskontinuierlich, wie bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff gesteuert, sondern es wird das Gas aus mindestens ei nem Tank, insbesondere einem Hochdrucktank, entnommen und über eine Zu- strömleitung eines Mitteldruckleitungssystems an das Förderaggregat geleitet. Dieses Förderaggregat führt das Gas über eine Verbindungsleitung eines Nieder druckleitungssystems zu einer Brennstoffzelle.
Aus der DE 10 2014 221 506 Al ist ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellen- System bekannt, zur Förderung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Was serstoff, mit einer von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden gasförmi gen Mediums angetriebenen Strahlpumpe und einem Dosierventil. Dabei kann das Förderaggregat als eine kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung ausge führt sein und weist die Bauteile erster Zulauf, Ansaugbereich, Mischrohr und ei nen Diffusor aufweist und wobei der Diffusor über einen Auslass- Krümmer mit einem Anodeneingang einer Brennstoffzelle fluidisch verbunden ist. Optional kann sich dabei ein Verbindungsstück zwischen dem Auslass- Krümmer und dem Anodeneingang befinden. Dabei kann mittels des Förderaggregats ein Medium, insbesondere ein Treibmedium durch eine Düse abgelassen werden, welches dann mit einem Rezirkulationsmedium vermischt wird. Der Strom des Treibmedi ums kann dabei mittels des Dosierventils gesteuert werden. Damit das gasför mige Medium nach dem Durchströmen der Ventils-Strahlpumpenanordnung in den Anodeneingang der Brennstoffzelle einströmen kann, muss eine Umlenkung aufgrund der Anordnung der Ventil-Strahlpumpenanordnung an der Brennstoff zelle erfolgen. Diese Umlenkung erfolgt aus der DE 10 2014 221 506 Al bekann ten Förderaggregat zumindest nahezu ausschließlich im Bereich des Auslass- Krümmers, wobei die Umlenkung zumindest nahezu rechtwinklig und/oder um zumindest nahezu 90° erfolgt, damit das gasförmige Medium aus dem Förderag gregat in die Brennstoffzelle strömen kann.
Das aus der DE 10 2014 221 506 Al bekannte Förderaggregat kann gewisse Nachteile aufweisen.
Da die Umlenkung des gasförmigen Mediums im Bereich des Förderaggregats zumindest nahezu ausschließlich im Bereich des Auslass- Krümmers erfolgt, muss eine zumindest nahezu rechtwinklige Umlenkung ausschließlich in diesem Bereich erfolgen, insbesondere um zumindest nahezu 90°. Dabei verläuft eine erste Strömungsrichtung des Mischrohrs und/oder eine zweite Strömungsrich tung des Diffusors zumindest nahezu rechtwinklig zu einem zweiten Strömungs pfad des Anodeneingangs der Brennstoffzelle, wobei der zweite Strömungspfad insbesondere die Einströmrichtung des gasförmigen Mediums in die Brennstoff zelle ausbildet. Dies führt zu hohen Strömungsverlusten und/oder Reibungsver lusten und/oder Druckverlusten zwischen dem gasförmigen Medium und den Wandungen des Förderaggregats, insbesondere im Bereich des Auslass- Krüm mers, aufgrund der geringen Länge in Richtung einer ersten Längsachse der Strahlpumpe, die zur Verfügung steht, um die Umlenkung des gasförmigen Medi ums zu bewirken. Zudem kann es bei dem im Stand der Technik gezeigten För deraggregat, insbesondere im Strömungsbereich des Auslass- Krümmers, für den Wirkungsgrad des Förderaggregats und/oder des Brennstoffzellen-Systems, nachteiligen Verwirbelungen und/oder Strömungsabrissen kommen. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Förderaggregats und/oder des gesamten Brennstoff zellen-Systems verringert. Offenbarung der Erfindung Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System vor geschlagen, zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, wobei der Wasserstoff im Folgenden als H2 bezeich net wird.
Bezugnehmend auf Anspruch 1 verläuft eine zweite Längsachse eines Diffusors geneigt zur ersten Längsachse eines Mischrohrs oder gekrümmt. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass die Umlenkung des gasförmigen Me diums im Bereich des Förderaggregats nicht mehr ausschließlich im Bereich ei nes Auslass- Krümmers erfolgt, sondern dass im Bereich des Diffusors schon eine zumindest teilweise derartige Umlenkung des gasförmigen Mediums erfolgt, die den Winkel der notwendigen Strömungsumlenkung im Bereich des Auslass- Krümmers verringert. Auf diese Weise kann eine Umlenkung des gasförmigen Mediums im Bereich des Förderaggregats, insbesondere des Diffusors und/oder des Auslass- Krümmers, über eine längere Strömungsstrecke und/oder mittels ei ner geringeren Umlenkung auf einer Strömungsstrecke mit einer spezifischen Länge erzielt werden. Dabei können Strömungsverluste und/oder Reibungsver luste und/oder Druckverluste zwischen dem gasförmigen Medium und den Wan dungen des Förderaggregats reduziert werden, da die Umlenkung strömungs technisch günstiger erfolgt und eine Reibung des gasförmigen Mediums mit der Wandung des Förderaggregats reduziert wird. Auch kommt es im Bereich eines Verbindungsstücks des Förderaggregats und/oder eines Anodeneingangs einer Brennstoffzelle zu reduzierten nachteiligen Verwirbelungen und/oder Strömungs abrissen, da eine Umlenkung gleichmäßiger und im Zusammenspiel mit einem sich vergrößernden Durchmesser im Bereich des Diffusors erfolgt, wodurch nachteilige Strömungsveränderungen, beispielsweise durch lokal starke Strö mungsgeschwindigkeits-Änderungen vermieden werden können. Dabei wird die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums im Diffusor reduziert, wäh rend das Medium gleichzeitig eine Umlenkung erfährt, wodurch ein verbessertes Einströmverhalten in die Brennstoffzelle herbeigeführt werden kann. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass Verluste von Impulsenergie, kineti scher Energie und Druck nahezu vermieden oder zumindest verringert werden. Weiterhin kann aufgrund der verbesserten Umlenkung eine möglichst geringe Reibung zwischen dem zu fördernden Medium, insbesondere F , und der Ober fläche der Strömungsgeometrie des Förderaggregats, insbesondere des Endbe reichs des Diffusors und des Auslass- Krümmers, erzielt werden. Des Weiteren können Druckverluste und/oder Reibungsverluste reduziert werden, die durch die Strömungsumlenkungen und/oder Änderung der Bewegungsrichtungen des gas förmigen Mediums durch die Umlenkung im Auslass- Krümmer auftreten können. Auf diese Weise lässt sich der Wirkungsgrad des Förderaggregats und/oder ei ner Ventil-Strahlpumpenanordnung und/oder des gesamten Brennstoffzellen- System verbessern. Zudem kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats der Vorteil erzielt werden, dass bei einer vorgegebenen Ge- samt-Baulänge, beispielsweise durch vorhandenen Bauraum im Gesamtfahr zeug, ein größerer Umlenkradius erzielt werden kann, wodurch sich die Strö mungsenergieverluste im Förderaggregat durch Reibung des gasförmigen Me dium mit der Oberfläche der Strömungsgeometrie, weiter reduzieren lassen. Dies bietet den Vorteil eines hohen Wirkungsgrads des Förderaggregats bei einer gleichzeitigen kompakten Bauform des Förderaggregats.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Förderaggregats möglich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Förderaggregats verläuft eine erste Wandung des Diffusors zumindest teilweise parallel zur ersten Längsachse des Mischrohrs verläuft und eine der ersten Wandung gegenüberliegende zweite Wandung des Diffusors unter einem Winkel zur ersten Längsachse des Misch rohrs verläuft, wobei die erste Wandung auf der dem Anodeneingang abgewand ten Seite des Diffusors verläuft und die zweite Wandung auf der dem Anodenein gang zugewandten Seite des Diffusors verläuft. Auf diese Weise kann ein derarti ger Diffusor ausgebildet werden, der gleichzeitig eine Umlenkung des gasförmi gen Mediums ermöglicht. Somit wird eine Integration eines Umlenkbereichs in den Diffusor erzielt, wodurch eine kompaktere Bauform des Förderaggregats her beigeführt werden kann. Zudem kann durch die parallel zum Mischrohr verlau fende erste Wandung eine vereinfachte und kostengünstigere Fertigung eines Strömungsbereichs erzielt werden. Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung weist die erste Wandung des Diffusors einen gekrümmten Verlauf auf, wobei die der ersten Wandung gegen überliegende zweite Wandung des Diffusors einen zumindest nahezu linearen Verlauf aufweist und unter einem Winkel zur ersten Längsachse des Mischrohrs verläuft. Auf diese Weise lässt sich eine kontinuierlich zunehmende Umlenkung des gasförmigen Mediums in einer zweiten Strömungsrichtung erzielen, wobei eine zweite Strömungsachse insbesondere bogenförmig verläuft. Aufgrund des gekrümmten Verlaufs der zweiten Wandung können Strömungsverluste und/oder Reibungsverluste und/oder Druckverluste verhindert werden, da beispielsweise bei einem linearen Verlauf der zweiten Wandung mit einer Umlenkkante Verwir belungen und/oder Strömungsabrisse auftreten können. Somit kann der Wir kungsgrad des Förderaggregats und/oder des gesamten Brennstoffzellen-Sys- tems erhöht werden. Des Weiteren lassen sich Energieverluste, die bei einer er höhten Reibung des gasförmigen Mediums mit der Wandung des Strömungsbe reichs auftreten können, durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förder- aggregats verringern. Auf diese Weise lassen sich die Betriebskosten des För deraggregats und/oder des Brennstoffzellen-Systems reduzieren, da sich ein hö herer Wirkungsgrad herbeiführen lässt.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Förderaggregats ist die zweiten Längsachse des Diffusors in Richtung zum Anodeneingang geneigt ist. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass der Winkel der dritten Strö mungsrichtung im Auslass- Krümmer reduziert werden kann, da das gasförmige Medium schon im Bereich des Diffusors zumindest teilweise in Einströmrichtung des Anodeneingangs umgelenkt wird. Dabei wird der Strömungswiderstand des Förderaggregats, das insbesondere auf einer Endplatte der Brennstoffzelle mon tiert ist, aufgrund der notwendigen Strömungsumlenkung des gasförmigen Medi ums in dem Förderaggregat reduziert, da aufgrund der geneigten zweiten Längs achse des Diffusors das gasförmige Medium schon in dem Bereich umgelenkt wird, in dem es eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit erfährt. Somit muss im Bereich des Auslass- Krümmers nur noch eine geringere Umlenkung des gasförmigen Mediums erfolgen, da zumindest eine teilweise Umlenkung in die gleiche Richtung schon im Bereich des Diffusors erfolgt ist. Dabei lässt sich der Strömungswiderstand des Förderaggregats für die notwendige und nahezu rechtwinklige Umlenkung des gasförmigen Mediums reduzieren, wodurch ein Strahlpumpeneffekt des Förderaggregats verbessert werden kann und das Me dium mit einer höheren Geschwindigkeit und/oder einem höheren Druck und/o der einem höheren Massenstrom in die Brennstoffzelle einströmen kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Förderaggregats verläuft die zweite Längsachse des Diffusors derart bogenförmig, dass diese im Anfangsbereich des Diffusors zumindest nahezu parallel zur ersten Längsachse des Mischrohrs ver läuft und im Endbereich des Diffusors zumindest nahezu senkrecht zur ersten Längsachse des Mischrohrs verläuft. Auf diese Weise lässt sich zum einen eine strömungstechnisch optimierte Umlenkung um zumindest nahezu einen rechten Winkel erzielen, wobei die beiden Strömungsrichtungen zumindest nahezu ortho gonal zueinander verlaufen. Durch das Vermeiden von kantenartigen Umleitun gen und/oder durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Anfangsbereichs und des Endbereichs des Diffusors kann eine Reduzierung von Verwirbelungen und Strömungsabrissen beim Einströmen und Ausströmen des gasförmigen Me diums in und aus dem Diffusor erzielt werden, da in diesem Bereich abrupte Richtungsänderungen der Strömung verhindert wird. Somit können aufgrund der Umlenkung und/oder Änderung der Strömungsrichtungen des gasförmigen Medi ums durch die bogenförmig verlaufende zweite Längsachse des Diffusors Druck verluste und Reibungsverluste reduziert werden, wodurch der Wirkungsgrad des Förderaggregats und/oder der Ventil-Strahlpumpenanordnung und/oder des ge samten Brennstoffzellen-System verbessert werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Förderaggregats befindet sich das Verbindungsstück und/oder der Auslass- Krümmer zwischen dem Diffusor und dem Anodeneingang der Brennstoffzelle und verbindet diese zumindest mittelbar fluidisch miteinander. Zudem kann eine vierte Längsachse des Verbindungs stücks parallel zum Strömungspfad IV des gasförmigen Mediums im Anodenein gang verlaufen, wobei die zweite Längsachse des Diffusors im Endbereich des Diffusors zumindest nahezu parallel zur vierte Längsachse des Verbindungs stücks verläuft. Auf diese Weise kann eine Beschleunigung und/oder Abbrem sung des gasförmigen Mediums verhindert werden, wobei diese Beschleunigung und/oder Abbremsung beispielsweise bei dem Einsatz eines externen Verroh rungssystems zwischen dem Förderaggregat und der Brennstoffzelle, insbeson dere dem Anodeneingang, mit mehreren Umlenkungen, auftreten kann. Dabei kann verhindert werden, dass dem gasförmigen Medium Energie entzogen wird, die ihm beim Durchströmen eines externen Verrohrungsystems mit Umlenkun gen aufgrund von innerer und äußerer Reibung verloren geht. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass Verluste von Impulsenergie, kinetischer Energie und Druck nahezu vermieden oder zumindest verringert werden. Zudem kann auf diese Weise, insbesondere aufgrund der strömungsoptimierten Ausfüh rung des Verbindungsstücks und/oder des Auslass- Krümmers, eine möglichst geringe Reibung zwischen dem zu fördernden Medium, insbesondere H2, und der Oberfläche der Strömungsgeometrie des Förderaggregats erzielt werden. Weiterhin können Druckverluste und/oder Reibungsverluste reduziert werden, die durch die Strömungsumlenkungen und/oder Änderung der Bewegungsrichtungen des gasförmigen Mediums durch die Umlenkung im externen Verrohrungssys tems auftreten können. Auf diese Weise lässt sich der Wirkungsgrad des Förder- aggregats und/oder der Ventil-Strahlpumpenanordnung und/oder des gesamten Brennstoffzellen-System verbessern. Des Weiteren kann auf diese Weise der Vorteil erzielt werden, dass die Strömungsverbindung zwischen einer Strahl pumpe und dem Anodeneingang möglichst kurz und/oder zumindest nahezu ohne Strömungsumlenkung realisiert werden kann. Somit lässt sich aufgrund der reduzierten Reibungsverluste der Wirkungsgrad des Förderaggregats und somit des gesamten Brennstoffzellen-Systems erhöhen. Weiterhin lässt sich bei einer Integration des Verbindungsstücks in einen Grundkörper der Strahlpumpe eine verbesserte Kaltstartfähigkeit des Förderaggregats erreichen, da das Verbin dungsstück, insbesondere aufgrund der höheren Maße, somit langsamer abkühlt und daher eine Bildung von Eisbrücken im Strömungsquerschnitt erschwert wird, insbesondere bei kurzen Standzeiten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Förderaggregats weist die Strahl pumpe ein Heizelement aufweist, wobei die Strahlpumpe und/oder der Auslass- Krümmer und/oder das Verbindungsstück aus einem Material oder einer Legie rung mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität hergestellt sind. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass ein schnelles Aufheizen des erfin dungsgemäßen Förderaggregats erzielt werden kann, insbesondere im Rahmen einer Kaltstartprozedur. Bevor das Förderaggregat und/oder das gesamte Brenn stoffzellen-System bei niedrigen Temperaturen in Betrieb genommen wird, wird das Heizelement mit Energie, insbesondere elektrischer Energie, versorgt, wobei das Heizelement diese Energie in Wärme und/oder Heizenergie umwandelt. Die ser Prozess wird in vorteilhafter Weise durch die geringe spezifische Wärmeka pazität der weiteren Bauteile des Förderaggregats unterstützt, mittels derer die Wärmeenergie schnell in das gesamte Förderaggregat Vordringen kann und vor handene Eisbrücken beseitigen kann. Durch das schnellere Aufwärmen der Teil stücke und des Förderaggregats können vorhandene Eisbrücken schneller besei tigt werden, insbesondere durch Abschmelzen durch Wärmeeintrag. Zudem kann die Heizenergie bei einem Kaltstartvorgang in kurzer Zeit nach dem Einschalten des Heizelements zu einer Düse Vordringen und es können vorhandene Eisbrü cken im Bereich der Düse und der Aktorik eines Dosierventils erwärmt und somit beseitigt werden. Dadurch kann die Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund einer Be schädigung der Bauteile des Förderaggregats reduziert werden. Auf diese Weise lässt sich die Kaltstartfähigkeit des Förderaggregats und somit des gesamten Brennstoffzellen-Systems verbessern, da die Eisbrücken schneller aufgetaut und beseitigt werden können. Es muss zudem weniger Energie, insbesondere elektri sche Energie und/oder Wärmeenergie durch das verwendete Heizelement, in das Förderaggregat eingebracht werden. Dadurch lassen sich die Betriebskosten des Förderaggregats und des gesamten Brennstoffzellen-Systems, insbesondere bei häufigen Kaltstartvorgängen aufgrund niedriger Umgebungstemperaturen und/oder langen Standzeiten des Fahrzeugs, reduzieren. Des Weiteren kann durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Materials auch eine hohe Beständig keit gegen das durch das Förderaggregat zu fördernde Medium und/oder weitere Bestandteile aus der Umgebung des Förderaggregats, wie beispielsweise Che mikalien, erzielt werden. Dies wiederum erhöht die Lebensdauer des Förderag gregats und die Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund von Materialschädigungen des Gehäuses kann reduziert werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Förderaggregats weist dieses als Komponenten eine Strahlpumpe, das Dosierventil und/oder einen Sei tenkanalverdichter und/oder einen Wasserabscheider auf. Dabei ist das Förder- aggregat und/oder dessen Komponenten derart auf der Endplatte der Brennstoff zelle positioniert, dass die Strömungsleitungen zwischen und/oder innerhalb der Komponenten des Förderaggregats ausschließlich parallel zur Endplatte verlau fen, wobei die Endplatte zwischen der Brennstoffzelle und dem Förderaggregat angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine kompakte Anordnung des Förderag gregats an der Brennstoffzelle und/oder im Brennstoffzellen-System herbeige führt werden, wodurch der Platzbedarf und der Bauraum des Brennstoffzellen- Systems im Gesamt- Fahrzeug reduziert werden kann. Zudem kann auf diese Weise eine direkte und möglichst kurze Strömungsleitung zwischen den Komponenten der Fördereinrichtung und der Brennstoffzelle her gestellt werden. Des Weiteren kann die Anzahl der Strömungsumlenkungen und/oder Änderung der Bewegungsrichtungen des gasförmigen Mediums im För deraggregat auf eine möglichst geringe Anzahl reduziert werden. Dies bietet den Vorteil, dass die Strömungsverluste und/oder Druckverluste innerhalb des För deraggregats aufgrund der Länge der Strömungsleitungen und/oder der Anzahl der Strömungsumlenkungen reduziert werden können. Es ist zudem weiterhin vorteilhaft, dass die Strömungsleitungen zwischen und/oder innerhalb der Kom ponenten des Förderaggregats parallel zum plattenförmigen Trägerelement ver laufen. Somit wird eine Strömungsumlenkung des gasförmigen Mediums weiter hin reduziert, wodurch sich die Strömungsverluste weiter reduzieren lassen. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Förderaggregats verbessert werden und der Energieaufwand zum Betreiben der Fördereinrichtung kann reduziert werden. Zudem kann auf diese Weise der Vorteil erzielt werden, dass eine einfache Posi tionierung der Bauteile zueinander realisiert werden kann, indem die Komponen ten jeweils mit der Endplatte verbunden werden müssen. Dadurch lässt sich die benötigte Anzahl an Bauteilen für die Montage reduzieren, was wiederum zu ei ner Kostenersparnis der Fördereinrichtung führt. Weiterhin wird die Wahrschein lichkeit eines Montagefehlers aufgrund von fehlerhaft zueinander ausgerichteten Komponenten der Fördereinrichtung reduziert wird, was wiederum die Ausfall wahrscheinlichkeit des Förderaggregats im Betrieb reduziert.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen und/oder Kombinationen der in den Ansprüchen beschrieben Merkmale und/oder Vorteile möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrie ben.
Es zeigt:
Figur 1 eine teilweise schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellen- Systems mit einem Förderaggregat und einer Brennstoffzelle,
Figur 2 eine schematische Schnittansicht des Förderaggregats gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 3 eine schematische Schnittansicht des Förderaggregats gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Figur 4 eine schematische Schnittansicht der mindestens einen orthogonal zu einer Strömungsrichtung verlaufenden Querschnittsfläche A-A ge mäß einer ersten Ausführungsform,
Figur 5 eine schematische Schnittansicht der mindestens einen orthogonal zur Strömungsrichtung verlaufenden Querschnittsfläche A-A gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellen-Systems 31 mit einem Förderaggregat 1, wobei das Förderag gregat 1 eine kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 aufweist. Die kombi nierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 weist dabei ein Dosierventil 6 und eine Strahlpumpe 4 auf, wobei das Dosierventil 6 beispielsweise mittels einer Ver schraubung mit der Strahlpumpe 4 verbunden ist, insbesondere mit einem Grundkörper 13 der Strahlpumpe 4. Die Strahlpumpe 4 weist dabei in ihrem Grundkörper 13 einen ersten Zulauf 28, einen zweiten Zulauf 36a, einen Ansaugbereich 7, ein Mischrohr 18, einen Dif fusor 20 und einen Auslass- Krümmer 22 und/oder ein Verbindungsstück 26 auf. Das Dosierventil 6 weist einen zweiten Zulauf 36b und eine Düse 12 auf. Dabei ist das Dosierventil 6 insbesondere in Richtung einer ersten Längsachse 39, ins besondere des Mischrohrs 18, in die Strahlpumpe 4, insbesondere in eine Öff nung in dem Grundkörper 13 der Strahlpumpe 4 eingeschoben.
Das in Fig. 1 gezeigte Brennstoffzellen-System 31 weist zudem die Bauteile Brennstoffzelle 29, Wasserabscheider 24 und Seitenkanalverdichter 10 auf. Die Brennstoffzelle 29 ist dabei mittels eines Anodenausgangs 9 und/oder eines Ano deneingangs 15 zumindest mittelbar fluidisch mit dem Wasserabscheider 24 und/oder dem Seitenkanalverdichter 10 und /oder der Ventil-Strahlpumpenanord nung 8 verbunden. Dabei strömt das Rezirkulationsmedium. In Richtung eines ersten Strömungspfads III durch den Anodenausgang 9 aus der Brennstoffzelle 29 aus und, insbesondere nach dem Durchströmen von weiteren optionalen Bau teilen 10, 24 und/oder der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 über den Anodenein gang 15 in Richtung eines zweiten Strömungspfads IV wieder in die Brennstoff zelle 29 ein. Der erste Strömungspfad III und der zweite Strömungspfad IV ver laufen dabei zumindest annähernd parallel. Dabei sind die Bauteile Wasserab scheider 24 und/oder dem Seitenkanalverdichter 10 und /oder der Ventil-Strahl pumpenanordnung 8 zumindest mittelbar fluidisch miteinander verbunden. Die Bauteile Wasserabscheider 24 und Seitenkanalverdichter 10 sind optionale Bau teile, die nicht zwangsläufig im Förderaggregat 1 und/oder im Brennstoffzellen- System 31 vorhanden sein müssen. Weiterhin weist die Brennstoffzelle 29 eine Endplatte 2 auf, wobei der Anodenausgang 9 und der Anodeneingang 15 durch die Endplatte 2 verlaufen. Dabei befindet sich die Endplatte 2 auf der der Ventil- Strahlpumpenanordnung 8 zugewandten Seite der Brennstoffzelle 29. Die Kom ponenten Strahlpumpe 4, Dosierventil 6 und/oder Seitenkanalverdichter 10 und/oder den Wasserabscheider 24 sind dabei derart auf der Endplatte 2 der Brennstoffzelle 29 positioniert, dass die Strömungsleitungen zwischen und/oder innerhalb der Komponenten des Förderaggregats 1 ausschließlich parallel zur Endplatte 2 verlaufen, wobei die Endplatte 2 zwischen der Brennstoffzelle 29 und dem Förderaggregat 1 angeordnet ist. Dabei strömt das unverbrauchte gasför mige Medium von dem Anodenausgang 9 der Brennstoffzelle 29, insbesondere einem Stack, auf einem Strömungsrichtung III durch die Endplatte 2, über einen optionalen Wasserabscheider 24 und einen optionalen Seitenkanalverdichter 10 in den ersten Zulauf 28 der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 ein. Von dort strömt das gasförmige Medium in den Ansaugbereich 7 und teilweise in das Mischrohr 18 der Strahlpumpe 4. Der Wasserabscheider 24 hat hierbei die Aufgabe, Was ser, das beim Betrieb der Brennstoffzelle 29 entsteht und zusammen mit dem gasförmigen Medium, insbesondere Fh, durch den Anodenausgang 9 zurück in die Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 strömt, aus dem System abzuführen. Somit kann das Wasser, das gasförmig und/oder flüssig vorliegen kann, nicht in das Rezirkulationsgebläse 10 und/oder die Strahlpumpe 4 und/oder das Dosierventil 6 Vordringen, da es schon direkt durch den Wasserabscheider 24 vom gasförmi gen Medium separiert und aus dem Brennstoffzellen-System 31 Fördereinrich tung wird. Dadurch lässt sich eine Schädigung der Komponenten des Förderag gregats 1 und/oder des Brennstoffzellen-Systems 31, insbesondere der bewegli chen Teile der Komponenten, durch Korrosion verhindern, wodurch die Lebens dauer aller durchströmten Komponenten erhöht wird.
In Fig. 1 ist zudem dargestellt, dass die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanord nung 8 von einem zu fördernden Medium in mindestens einer Strömungsrichtung durchströmt V, VI, VII, VIII wird. Der Großteil der durchströmten Bereiche der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 sind dabei zumindest annährend rohrförmig ausgebildet und dienen zum Fördern und/oder Leiten des gasförmigen Mediums, bei dem es sich insbesondere um Fh handelt, in dem Förderaggregat 1. Dabei wird der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 zum einen ein Rezirkulat durch den ersten Zulauf 28 zugeführt, wobei es sich bei dem Rezirkulat insbesondere um das unverbrauchte Fh aus dem Anodenbereich der Brennstoffzelle 29, insbeson dere einem Stack, handelt, wobei das Rezirkulat auch Wasser und Stickstoff auf weisen kann. Das Rezirkulat strömt dabei durch den ersten Zulauf 28 in die Ven til-Strahlpumpenanordnung 8 ein. Zum anderen strömt durch den zweiten Zulauf 36 von außerhalb der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 ein gasförmiges Treib medium, insbesondere Fh, in eine Aussparung der Ventil-Strahlpumpenanord nung 8 und/oder in den Grundkörper 13 und/oder das Dosierventil 6 ein, wobei das Treibmedium von einem Tank 34 kommt und unter hohen Druck steht, insbe sondere von mehr als 6 bar.
Dabei verläuft der zweite Zulauf 36a, b durch die Bauteile Grundkörper 13 und/o der Dosierventil 6. Vom Dosierventil 6 wird das Treibmedium mittels einer Aktorik und eines vollständig schließbaren Ventilelements, insbesondere stoßweise, durch die Düse 12 in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 18 abgelas sen. Das durch die Düse 12 strömende und als Treibmedium dienende F weist eine Druckdifferenz zum Rezirkulationsmedium auf, wobei das Rezirkulationsme- dium aus dem ersten Zulauf 28 in das Förderaggregat 1 einströmt, wobei das Treibmedium insbesondere einen höheren Druck von mindestens 6 bar aufweist. Damit sich ein sogenannter Strahlpumpeneffekt einstellt wird das Rezirkulations medium mit einem geringen Druck und einem geringen Massen-Strom in einen zentralen Strömungsbereich des Förderaggregats 1 gefördert, beispielsweise durch den Einsatz eines, dem Förderaggregat 1 vorgeschalteten, Seitenkanalver dichters 10. Dabei strömt das Treibmedium mit der beschriebenen Druckdifferenz und einer hohen Geschwindigkeit, die insbesondere nahe der Schallgeschwindig keit und somit darunter oder darüber liegen kann, durch die Düse 12 in den zent ralen Strömungsbereich des Ansaugbereichs 7 und/oder des Mischrohrs 18 ein.
Die Düse 12 weist dabei eine innere Ausnehmung in Form eines Strömungsquer schnitts auf, durch die das gasförmige Medium strömen kann, insbesondere vom Dosierventil 6 kommend und in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 18 einströmend. Dabei trifft das Treibmedium auf das Rezirkulationsmedium, das sich bereits im zentralen Strömungsbereich des Ansaugbereichs 7 und/oder des Mischrohrs 18 befindet. Aufgrund der hohen Geschwindigkeits- und/oder Druck- Differenz zwischen dem Treibmedium und dem Rezirkulationsmedium wird eine innere Reibung und Turbulenzen zwischen den Medien erzeugt. Dabei entsteht eine Scherspannung in der Grenzschicht zwischen dem schnellen Treibmedium und dem wesentlich langsameren Rezirkulationsmedium. Diese Spannung be wirkt eine Impulsübertragung, wobei das Rezirkulationsmedium beschleunigt und mitgerissen wird. Die Mischung geschieht nach dem Prinzip der Impulserhaltung. Dabei wird das Rezirkulationsmedium in der Strömungsrichtung V beschleunigt und es entsteht für das Rezirkulationsmedium ein Druckabfall, wodurch eine Saugwirkung einsetzt und somit weiteres Rezirkulationsmedium aus dem Bereich des ersten Zulaufs 28 nachgefördert wird. Dieser Effekt kann als Strahlpumpen effekt bezeichnet werden.
Durch das Ansteuern der Zu-Dosierung des Treibmediums mittels des Dosier ventils 6 kann eine Förderrate des Rezirkulationsmediums reguliert werden und auf den jeweiligen Bedarf des gesamten Brennstoffzellen-Systems 31 je nach Betriebszustand und Betriebsanforderungen angepasst werden. In einem bei spielhaften Betriebszustand des Förderaggregats 1 bei dem sich das Dosierventil 6 in geschlossenem Zustand befindet, kann verhindert werden, dass das Treib medium aus dem zweiten Zulauf 36 in den zentralen Strömungsbereich der Strahlpumpe 4 nachströmt, so dass das Treibmedium nicht weiter in der Strö mungsrichtung VII zum Rezirkulationsmedium in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 18 einströmen kann und somit der Strahlpumpeneffekt aussetzt.
Weiterhin weist die Strahlpumpe 4 aus der Fig. 1 technische Merkmale auf, die den Strahlpumpeneffekt und die Fördereffizienz zusätzlich verbessern und/oder das Kaltstartvorgang und/oder Fertigungs- und Montage- Kosten weiter verbes sern. Dabei verläuft das Teilstück Diffusor 20 im Bereich seines inneren Strö mungsquerschnitts konisch, insbesondere sich in der ersten Strömungsrichtung V und der zweiten Strömungsrichtung VI vergrößernd. Die Düse 12 und das Mischrohr 18 und/oder der Diffusor 20 können dabei koaxial zueinander verlau fen. Durch diese Ausformung des Teilstücks Diffusor 20 kann der vorteilhafte Ef fekt erzeugt werden, dass die kinetische Energie in Druckenergie umgewandelt wird, wodurch das mögliche Fördervolumen des Förderaggregats 1 weiter erhöht werden kann, wodurch mehr des zu fördernden Mediums, insbesondere F , der Brennstoffzelle 29 zugeführt werden kann, wodurch der Wirkungsgrad des ge samten Brennstoffzellen-Systems 31 erhöht werden kann.
Wie in Fig. 1 gezeigt, weist die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 ein optionales Heizelement 11 auf, wobei die Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 und/oder der Auslass- Krümmer 22 und/oder das Verbindungsstück 26 aus einem Material oder einer Legierung mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität hergestellt sind. Auf diese Weise kann die Kaltstartfähigkeit verbessert werden, insbesondere bei Temperaturen von unter 0° Celsius, da somit vorhandene Eis brücken im Strömungsbereich der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 abgebaut werden können. Das Heizelement 11 kann dabei in dem Grundkörper 13 der Strahlpumpe 4 integriert sein oder an diesem angeordnet sein.
Erfindungsgemäß kann das Dosierventil 6 als ein Proportionalventil 6 ausgeführt sein, um eine verbesserte Dosierfunktion und ein exakteres Dosieren des Treib mediums in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 18 zu ermöglichen.
Zur weiteren Verbesserung der Strömungsgeometrie und des Wirkungsgrads des Förderaggregats 1 sind die Düse 12 und das Mischrohr 18 rotationssymmetrisch ausgeführt, wobei die Düse 12 koaxial zum Mischrohr 18 der Strahlpumpe 4 ver läuft. In Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht des Förderaggregats 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Dabei ist ein Teil der inneren Strö mungskontur des Förderaggregats 1, insbesondere des Grundkörpers 13, darge stellt, wobei dieser insbesondere in Durchströmrichtung des gasförmigen Medi ums die Bereiche Ansaugbereich 7, Mischrohr 18, Diffusor 20, Auslass- Krümmer 22 und Verbindungsstück 26 aufweist. Es weisen jeweils das Mischrohr 18, der Diffusor 20, der Auslass- Krümmer 22 und das Verbindungsstück 26 eine jewei lige Längsachse 39, 40, 42, 44 auf. Entlang dieser jeweiligen Längsachse 39, 40, 42, 44 verläuft die jeweilige Strömungsrichtung V, VI, VII, VIII des gasförmigen Mediums in diesem Bereich.
Es ist dargestellt, dass das gasförmige Medium vom Ansaugbereich 7 kommend die Strömungskontur des Grundkörpers 13 zumindest nahezu vollständig durch strömt bis zum Anodeneingang 15 der Brennstoffzelle 29, wobei das gasförmige Medium das Mischrohr 18, den Diffusor 20, den Auslass- Krümmer 22 und das Verbindungsstück 26 durchströmt. Im Ansaugbereich 7 wird das aus dem zwei ten Zulauf 36 kommenden Treibmedium mittels der Düse 12 zugeführt und trifft auf das durch den ersten Zulauf 28 zugeführte Rezirkulationsmedium, das insbe sondere von der Brennstoffzelle 29 kommt.
In Fig. 2 ist des Weiteren gezeigt, dass das Mischrohr 18 eine erste Längsachse 39 aufweist, wobei die erste Strömungsrichtung V zumindest nahezu parallel zur ersten Längsachse 39 verläuft. Der Diffusor 20 weist eine zweite Längsachse 40 auf, wobei die zweite Strömungsrichtung VI parallel zur zweiten Längsachse 40 verläuft. Der Auslass- Krümmer 22 weist eine dritte Längsachse 42 auf, wobei die dritte Strömungsrichtung VII parallel zur dritten Längsachse 42 verläuft. Das Ver bindungsstück 26 weist eine vierte Längsachse 44 auf, wobei die vierte Strö mungsrichtung VIII parallel zur vierten Längsachse 44 verläuft. Die Längsachsen 39, 40, 42, 44 und/oder Strömungsrichtungen V, VI, VII, VIII im jeweiligen Be reich weisen dabei unterschiedliche Vektoren auf und verlaufen nicht parallel und/oder in der gleichen Richtung, so dass das gasförmige Medium eine Umlen kung im jeweiligen Abschnitt 18, 20, 22, 26 erfährt. Dabei ist die zweite Längs achse 40 des Diffusors 20 geneigt zur ersten Längsachse 39 des Mischrohrs 18 ausgeführt, insbesondere geneigt um einen Winkel a, wobei die zweite Längs achse 40 des Diffusors 20 in Richtung zum Anodeneingang 15 geneigt ist. Des Weiteren ist die dritte Längsachse 42 des Auslass- Krümmers 22 geneigt zur ers ten Längsachse 39 des Mischrohrs 18 ausgeführt, insbesondere geneigt um ei nen Winkel g, wobei die dritte Längsachse 42 des Auslass- Krümmers 22 in Rich tung zum Anodeneingang 15 geneigt ist. Zudem ist die vierte Längsachse 44 des Verbindungsstücks 26 geneigt zur ersten Längsachse 39 des Mischrohrs 18 aus geführt, insbesondere geneigt um einen zumindest nahezu rechten Winkel, wo bei die parallel zur vierten Längsachse 44 des Verbindungsstück 26 verlaufende vierte Strömungsrichtung VIII zum Anodeneingang 15 gerichtet ist.
Des Weiteren ist in Fig. 2 gezeigt, dass eine erste Wandung 17 des Diffusors 20 zumindest teilweise parallel zur ersten Längsachse 39 des Mischrohrs 18 verläuft und eine der ersten Wandung 17 gegenüberliegende zweite Wandung 19 des Diffusors 20 unter einem Winkel [3 zur ersten Längsachse 39 verläuft, wobei die erste Wandung 17 auf der dem Anodeneingang 15 abgewandten Seite des Dif fusors 20 verläuft und die zweite Wandung 19 auf der dem Anodeneingang 15 zugewandten Seite des Diffusors 20 verläuft. Das gasförmige Medium strömt da bei im Bereich der Düse 12 und/oder des Mischrohrs 18 in einer ersten Strö mungsrichtung V und von dort in den Diffusor 20, wobei das gasförmige Medium im Übergangsbereich des Mischrohrs 18 zum Diffusor 20 eine Richtungsände rung erfährt, so dass das gasförmige Medium im Diffusor 20 zumindest nahezu in der zweiten Strömungsrichtung VI strömt. Dabei ist der Winkel [3 größer als der Winkel a.
Fig. 2 zeigt, dass sich im innenliegenden Strömungsbereich der Strahlpumpe 4 Strömungsquerschnitte ausbilden, die insbesondere orthogonal zur jeweiligen Strömungsrichtung V, VI, VII, VIII verlaufen. Im Bereich des Diffusors 20 sind die Strömungsquerschnitte beispielhaft als die mindestens eine Querschnittsfläche A-A ausgebildet, wobei die mindestens eine Querschnittsfläche A-A orthogonal zur zweiten Strömungsrichtung VI und oder der zweiten Längsachse 40 des Dif fusors 20 verläuft. Dabei vergrößert sich die Querschnittsfläche A-A in der zwei ten Strömungsrichtung VI. Dabei kann es im Diffusor 20 zu einer Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums kommen, insbeson dere aufgrund der sich vergrößernden Querschnittsfläche A-A. Zudem verläuft die zweite Strömungsrichtung VI und/oder die zweite Längsachse 40 aufgrund des zumindest nahezu linearen Verlaufs der ersten und zweiten Wandung 17, 19 zumindest nahezu linear im Bereich des Diffusors 20, so dass auch das gasför mige Medium zumindest nahezu linear im Bereich des Diffusor 20 strömt. Das gasförmige Medium strömt nach dem Durchströmen des Diffusors 20 in den Auslass- Krümmer 22 und von dort in das Verbindungsstück 26. In Fig. 2 ist da bei gezeigt, dass sich im Bereich des Auslaus- Krümmers 22 eine dritte Wandung
21 auf der dem Anodeneingang 15 abgewandten Seite des Auslass- Krümmers
22 verläuft. Diese dritte Wandung 21 kann dabei einen zumindest teilweise linea ren Verlauf und/oder zumindest teilweise eine Krümmung 23 aufweisen, wobei die Krümmung 23 insbesondere einen Radius aufweisen kann. Mittels des Ver laufs der dritte Wandung 21, insbesondere als Krümmung 23, kann das gasför mige Medium beim Durchströmen des Auslass- Krümmers 22 zum Anodenein gang 15 hin gelenkt werden. Dabei verläuft die dritte Längsachse 42 des Aus lass-Krümmers 22 und/oder die dritte Strömungsrichtung VII des gasförmigen Mediums im Bereich des Auslass- Krümmers 22 unter einem Winkel g zur ersten Längsachse 39 des Mischrohrs 18 und zum Anodeneingang 15 hin gerichtet. Da bei ist der Winkel g insbesondere größer als der Winkel a und/oder der Winkel ß.
Wie in Fig. 2 gezeigt, erfährt das gasförmige Medium beim Durchströmen des Diffusors 20 und/oder des Auslass- Krümmers 22 und/oder des Verbindungs stücks 26 eine entsprechende Umlenkung, wobei es von einer zumindest nahezu rechtwinklig zum ersten Strömungspfad III und/oder zweiten Strömungspfad IV verlaufenden ersten Strömungsrichtung V in eine zumindest nahezu parallel zum jeweiligen Strömungspfad III, IV verlaufenden vierten Strömungsrichtung VIII um gelenkt wird.
In Fig. 3 ist eine schematische Schnittansicht des Förderaggregats 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Dabei ist ein Teil der inneren Strö mungskontur des Förderaggregats 1, insbesondere eines Grundkörpers 13, dar gestellt, wobei dieser die Bereiche Ansaugbereich 7, Mischrohr 18, Diffusor 20 und Verbindungsstück 26 aufweist. Es weisen jeweils das Mischrohr 18, der Dif fusor 20 und das Verbindungsstück 26 eine jeweilige Längsachse 39, 40, 44 auf. Entlang dieser jeweiligen Längsachse 39, 40, 44 verläuft die jeweilige Strö mungsrichtung V, VI und VIII des gasförmigen Mediums in diesem Bereich. Da bei verläuft die zweite Längsachse 40 des Diffusors 20 bogenförmig, so dass das gasförmige Medium beim Durchströmen des Diffusors 20 zum Anodeneingang 15 hin umgelenkt wird, insbesondere kontinuierlich. Der bogenförmige Verlauf der zweiten Längsachse 40 des Diffusors 20 resultiert aus der Ausformung der Wandungen 17, 19 des Strömungsbereichs. Dabei weist eine erste Wandung 17 des Diffusors 20 die Krümmung 23 auf und eine der ers ten Wandung 17 gegenüberliegende zweite Wandung 19 des Diffusors 20 einen zumindest nahezu linearen Verlauf auf. Die zweite Wandung 19 verläuft dabei unter einem Winkel ß zur ersten Längsachse 39 des Mischrohrs 18. In einer wei teren beispielhaften Ausführungsform kann die zweite Wandung 19 auch eine Krümmung aufweisen. Der Winkel a zwischen der gekrümmt verlaufenden zwei ten Längsachse 40 und der ersten Längsachse 39 vergrößert sich dabei mit fort schreitendem Durchströmen des Diffusors 20 von einem Wert von zumindest na hezu 0° bis zu einem Wert von zumindest nahezu 90° zum Anodeneingang 15 hingewandt. Dabei verläuft die zweite Längsachse 40 des Diffusors 20 derart bo genförmig, dass diese im Anfangsbereich des Diffusors 20 zumindest nahezu pa rallel zur ersten Längsachse 39 des Mischrohrs 18 verläuft und im Endbereich des Diffusors 20 zumindest nahezu senkrecht zur ersten Längsachse 39 des Mischrohrs 18 verläuft, wobei insbesondere die Öffnung des Endbereichs des Diffusors 20 zum Anodeneingang 15 hin gerichtet ist.
Weiterhin ist in Fig. 3 gezeigt, dass die vierte Längsachse 44 des Verbindungs stücks 26 parallel zum zweiten Strömungspfad IV des gasförmigen Mediums im Anodeneingang 15 verläuft, wobei die zweite Längsachse 40 des Diffusors 20 im Endbereich des Diffusors 20 zumindest nahezu parallel zur vierte Längsachse 44 des Verbindungsstücks 26 verläuft.
Des Weiteren zeigt Fig. 3, dass sich im innenliegenden Strömungsbereich der Strahlpumpe 4 Strömungsquerschnitte ausbilden, die insbesondere orthogonal zur jeweiligen Strömungsrichtung V, VI, VIII verlaufen. Im Bereich des Diffusors 20 sind die Strömungsquerschnitte beispielhaft als die mindestens eine Quer schnittsfläche A-A ausgebildet, wobei die mindestens eine Querschnittsfläche A- A orthogonal zur zweiten Strömungsrichtung VI und oder der zweiten, insbeson dere bogenförmig verlaufenden, Längsachse 40 des Diffusors 20 verläuft. Dabei vergrößert sich die Querschnittsfläche A-A in der zweiten Strömungsrichtung VI. Dabei kann es im Diffusor 20 zu einer Reduzierung der Strömungsgeschwindig keit des gasförmigen Mediums kommen, insbesondere aufgrund der sich vergrö ßernden Querschnittsfläche A-A. Zudem verläuft die zweite Strömungsrichtung VI und/oder die zweite Längsachse 40, insbesondere aufgrund des gekrümmten Verlaufs der ersten Wandung 17 und/oder des zumindest nahezu linearen Ver laufs der zweiten Wandung 19, zumindest nahezu bogenförmig im Bereich des Diffusors 20, so dass auch das gasförmige Medium zumindest nahezu bogenför mig im Bereich des Diffusor 20 strömt, insbesondere zum Anodeneingang 15 hin gerichtet.
In Fig. 4 ist eine schematische Schnittansicht der mindestens einen orthogonal zur Strömungsrichtung VI verlaufenden Querschnittsfläche A-A gemäß einer ers ten Ausführungsform. Dabei weist die jeweilige Querschnittsfläche A-A des Dif fusors 20 eine zumindest nahezu kreisförmige Form auf. Durch die erste Wan dung 17, die insbesondere zumindest im Anfangsbereich des Diffusors 20 vom Anodeneingang 15 abgewandt verläuft, und die zweite Wandung 19 des Strö mungsquerschnitts verläuft eine erste Bezugsachse 48. Orthogonal zu dieser ersten Bezugsachse 48 verläuft eine zweite Bezugsachse 50. Durch den Schnitt punkt der zwei Bezugsachse 48, 50 verläuft orthogonal zur beiden Achsen 48, 50 in einer nicht dargestellten Ebene die zweite Längsachse 40.
In Fig. 5 ist eine schematische Schnittansicht der mindestens einen orthogonal zur zweiten Strömungsrichtung VI verlaufenden Querschnittsfläche A-A gemäß einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Dabei weist die jeweilige Querschnittsflä che A-A einen gerundeten, insbesondere eine ovoidische und/oder eiförmige Form auf. Durch die erste Wandung 17, die insbesondere zumindest im Anfangs bereich des Diffusors 20 vom Anodeneingang 15 abgewandt verläuft, und die zweite Wandung 19 des Strömungsquerschnitts verläuft die erste Bezugsachse 48. Dabei verläuft die zweite Bezugsachse 50 derart orthogonal zur ersten Be zugsachse der ovoidischen Querschnittsfläche, dass sich diese im Bereich des größten Abstands der Wandungen des Strömungsquerschnitts befindet. Durch den Schnittpunkt der zwei Bezugsachse 48, 50 verläuft orthogonal zur beiden Achsen 48, 50 in einer nicht dargestellten Ebene die zweite Längsachse 40.
Optional können auch die Querschnittsflächen der Strömungsbereiche des Aus lass-Krümmers 22 und/oder des Verbindungsstücks 26 eine entsprechende zu mindest nahezu kreisförmige und/oder ovoidische Form aufweisen.
Auf die in Fig. 4 und Fig. 5 beschriebene erste und zweite Ausführungsform Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass eine verbesserte Umlenkung des gas förmigen Mediums beim Durchströmen des Diffusors 20 erreicht wird, bei der die Reibungs- und/oder Strömungs-Verlusten reduziert werden, während der für die Umlenkung des gasförmigen Mediums zum Anodeneingang 15 benötigte Bau raum reduziert werden kann. Somit kann das Förderaggregat 1 und/oder die Strahlpumpe 4 auch in Fahrzeuge verbaut werden, die nur einen geringen zur Verfügung stehenden Bauraum aufweisen. Die Strömungsübergänge innerhalb des Strömungsquerschnitts der Strahlpumpe 4 sind dabei möglichst strö mungsoptimiert ausgeführt, so dass die Verwirbelungen und/oder ein Abbremsen der Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums verhindert wird.
Insbesondere in der zweiten Ausführungsform der mindestens einen Quer schnittsfläche A-A kann der Großteil des zu fördernden gasförmigen Mediums im Bereich der zweiten Bezugsachse 50 in der zweiten Strömungsrichtung VI durch den Diffusor 20 strömen und somit eine stärkere Umlenkung zum Anodenein gang 15 hin erfahren, da die zweite Bezugsachse 50 weniger Abstand zur zwei ten Wandung 19 und/oder zum Anodeneingang 15 hat, insbesondere im Ver gleich zur ersten Ausführungsform der mindestens einen Querschnittsfläche A-A, was zu einem verbesserten Strömungsverhalten und einer kompakteren Bauform führt. Zudem kann auf diese Weise eine verbesserte Strömungsführung des gas förmigen durch den Diffusor 20 und/oder das gesamte Förderaggregat 1 erzielt werden.
Des Weiteren können diese in Fig. 4 oder Fig. 5 gezeigten Formen der Quer schnittsflächen A je nach Ausführungsform des Förderaggregats 1 und/oder der Strahlpumpe 4 in einer beliebigen Kombination der Bereiche Diffusor 20, Aus lass-Krümmer 22, Verbindungsstück 26 und Anodeneingang 15 im erfindungsge mäßen Förderaggregat 1 Verwendung finden, jedoch auch in allen anderen Strö mungsbereichen des Brennstoffzellen-Systems 31.

Claims

Ansprüche
1. Förderaggregat (1) für ein Brennstoffzellen-System (31) zur Förderung und/oder Steuerung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasser stoff, mit einer von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden gas förmigen Mediums angetriebenen Strahlpumpe (4) und einem Dosier ventil (6), wobei ein Ausgang des Förderaggregats (1) mit einem Ano deneingang (15) einer Brennstoffzelle (29) fluidisch verbunden ist, wobei die Strahlpumpe (4) einen Ansaugbereich (7), ein Mischrohr (18) und ei nen Diffusor (20) aufweist, wobei der Diffusor (20) zumindest mittelbar mit dem Anodeneingang (15) der Brennstoffzelle (29) fluidisch verbun den ist und wobei die Strahlpumpe (4) zumindest teilweise in Richtung einer ersten Strömungsrichtung V, die parallel zu einer ersten Längs achse (39) des Mischrohrs (18) verläuft, vom gasförmigen Medium durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Längs achse (40) des Diffusors (20) geneigt zur ersten Längsachse (39) des Mischrohrs (18) verläuft oder gekrümmt verläuft.
2. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Wandung (17) des Diffusors (20) zumindest teilweise pa rallel zur ersten Längsachse (39) des Mischrohrs (18) verläuft und eine der ersten Wandung (17) gegenüberliegende zweite Wandung (19) des Diffusors (20) unter einem Winkel (ß) zur ersten Längsachse (39) ver läuft, wobei die erste Wandung (17) auf der dem Anodeneingang (15) abgewandten Seite des Diffusors (20) verläuft und die zweite Wandung
(19) auf der dem Anodeneingang (15) zugewandten Seite des Diffusors
(20) verläuft.
3. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Wandung (17) des Diffusors (20) einen gekrümmten Verlauf (23) aufweist und eine der ersten Wandung (17) gegenüberliegende zweite Wandung (19) des Diffusors (20) einen zumindest nahezu linea ren Verlauf aufweist und unter einem Winkel (ß) zur ersten Längsachse (39) des Mischrohrs (18) verläuft. 4. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Längsachse (40) des Diffusors (20) in Richtung zum Anodeneingang (15) geneigt ist.
5. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Längsachse (40) des Diffusors (20) derart bogenförmig ver läuft, dass diese im Anfangsbereich des Diffusors (20) zumindest na hezu parallel zur ersten Längsachse (39) des Mischrohrs (18) verläuft und im Endbereich des Diffusors (20) zumindest nahezu senkrecht zur ersten Längsachse (39) des Mischrohrs (18) verläuft.
6. Förderaggregat (1) gemäß einem der vorrangegangen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Verbindungsstück (26) und/o der ein Auslass- Krümmer (22) zwischen dem Diffusor (20) und dem Anodeneingang (15) der Brennstoffzelle (29) befinden und diese zumin dest mittelbar fluidisch miteinander verbinden.
7. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine vierte Längsachse (44) des Verbindungsstücks (26) parallel zu einem zweiten Strömungspfad IV des gasförmigen Mediums im Anoden eingang (15) verläuft, wobei die zweite Längsachse (40) des Diffusors (20) im Endbereich des Diffusors (20) zumindest nahezu parallel zur vierten Längsachse (44) des Verbindungsstücks (26) verläuft.
8. Förderaggregat (1) gemäß einem der vorrangegangen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpe (4) ein Heizelement (11) aufweist, wobei die Strahlpumpe (4) und/oder der Auslass- Krümmer (22) und/oder das Verbindungsstück (26) aus einem Material oder einer Legierung mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität hergestellt sind.
9. Förderaggregat (1) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Komponenten Strahlpumpe (4), Dosierventil (6) und/oder einen Seitenkanalverdichter (10) und/oder einen Wasserabscheider (24) aufweist, wobei diese derart auf einer Endplatte (2) der Brennstoffzelle (29) positioniert sind, dass die Strö mungsleitungen zwischen und/oder innerhalb der Komponenten des Förderaggregats (1) ausschließlich parallel zur Endplatte (2) verlaufen, wobei die Endplatte (2) zwischen der Brennstoffzelle (29) und dem För deraggregat (1) angeordnet ist.
10. Brennstoffzellen-System (31) mit einem Förderaggregat (1) nach einem der vorherigen Ansprüche.
EP20712243.3A 2019-04-03 2020-03-11 Förderaggregat für ein brennstoffzellen-system zur förderung und/oder steuerung eines gasförmigen mediums Withdrawn EP3947978A1 (de)

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DE102019204723.8A DE102019204723A1 (de) 2019-04-03 2019-04-03 Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System zur Förderung und/oder Steuerung eines gasförmigen Mediums
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